KR20080103323A - 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관에 구비되는 가연 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 압축 행정에서 연소실 내의 압력을 극대화하여 내연 기관의 효율을 극대화하는 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치는, 일측이 개방된 실린더 형태로 형성되며 연료 및 공기가 혼합되어 연소되는 연소실(10); 상기 연소실(10)의 일측에 구비되어 외부로부터 공기를 흡입하는 흡입 밸브(21); 상기 연소실(10)의 일측에 구비되어 연소 후 생성되는 배기가스를 배기하는 배기 밸브(22); 및 상기 연소실(10)의 개방된 통로 부분에 삽입되며, 상기 연소실(10) 내의 압력에 따라 상승 및 하강 운동하는 피스톤(30); 을 포함하여 이루어지는 내연 기관에 있어서, 상기 연소실(10)의 일측에 노즐 형태로 구비되어 상기 연소실(10) 내로 고압의 공기를 분사하는 고압 공기 분사구(51); 상기 고압 공기 분사구(51)를 개폐하는 개폐 수단(52); 및 상기 고압 공기 분사구(51)와 연결되어 고압 공기를 공급하는 고압 공기 용기(52); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

내연 기관, 디젤 기관, 가솔린 기관, 압축, 고압 공기

Description

고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치 {A Combustion Apparatus in a Combustion Chamber using High Pressure Air}

도 1은 이와 같은 내연기관의 일반적인 구조 및 원리.

도 2는 본 발명에 의한 가연 장치가 구비된 내연 기관.

도 3은 본 발명에 의한 가연 장치의 작동 원리.

도 4는 종래의 내연 기관 및 본 발명에 의한 가연 장치를 적용한 내연 기관의 P-V 선도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10: 연소실

21: 흡입 밸브

22: 배기 밸브

30: 피스톤

50: (본 발명에 의한) 가연 장치

51: 고압 공기 분사구

52: 개폐 수단

53: 고압 공기 용기

본 발명은 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치에 관한 것이다.

내연 기관이란 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관으로, 대표적으로는 현재 자동차의 동력원으로 사용되는 기관이다. 광의적으로는 가스터빈ㆍ제트기관ㆍ로켓 등도 내연 기관이지만, 일반적으로는 내연 기관이라고 하면 자동차에 사용되는 내연 기관과 같이 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 가리킬 때가 많다.

내연 기관은, 사용되는 연료에 의해 가스 기관ㆍ가솔린 기관ㆍ석유 기관ㆍ디젤 기관 등으로 분류된다. 석유ㆍ가스ㆍ가솔린 기관은 점화플러그(점화전)에 의해 전기불꽃으로 점화되고, 디젤 기관은 연료를 고온ㆍ고압의 공기 속에 분사하여 자연발화시킴으로써 연료를 연소시킨다. 자동차의 내연 기관은 일반적으로 가솔린 연료 또는 디젤 연료를 사용하여 작동한다. 가솔린 자동차는 출력이 작은 대신 소음이나 진동 등이 적어 정숙성이 높고 응답이 빠른 장점이 있어 일반적인 승용차에 많이 사용되고 있으며, 디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 엔진의 내구성이 높 고 효율이 20~30% 가량이나 높아 연비 및 출력 면에서 성능이 우수하여 주로 트럭 및 버스 등 대형차량에 적용되어 왔다.

도 1은 이와 같은 내연 기관의 기본적인 구조 및 원리를 도시한 것으로, 도 1(A)는 가솔린 기관을, 도 1(B)는 디젤 기관을 도시하고 있다. 내연 기관은 기본적으로 흡입 행정, 압축 행정, 팽창 행정, 배기 행정의 4행정으로 한 주기를 이룬다. 흡입 행정에서는, 흡입 밸브가 열리고 배기 밸브가 닫힌 상태에서, 피스톤이 하강하면서 연료와 공기의 혼합기를 기화기를 통하여 흡입한다. 압축 행정에서는, 흡입 밸브 및 배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서, 피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축한다. 이 때 내연 기관 연소실 내의 (공기 및 연료가 혼합된) 혼합 기체는 고온 및 고압 상태가 된다. 팽창 행정에서는, 흡입 밸브와 배기 밸브가 여전히 닫혀 있는 상태에서, 전기 점화(가솔린 엔진) 또는 자연 발화(디젤 엔진)에 의하여 압축된 혼합 기체의 연소 및 폭발이 일어나고, 그 압력에 의해 피스톤이 내려가면서 동력이 발생된다. 마지막으로 배기 행정에서는, 흡입 밸브가 닫히고 배기 밸브가 열린 상태에서, 피스톤이 올라감으로써 연소 가스가 배출된다.

이와 같은 원리로 동작하는 내연 기관은 일반적으로 30% 정도의 에너지 효율을 낸다는 사실이 잘 알려져 있다. 그런데, 석유를 주 연료로 사용하는 현재의 내연 기관에 있어서, 갈수록 석유의 매장량은 줄어드는 한편 석유의 사용량은 오히려 늘어나고 있는 현 실정에 따라 내연 기관의 효율 및 연비를 개선시키고자 하는 각종 노력이 꾸준히 지속되어 왔다. 이에 따라 내연 기관의 효율을 개선시키고자, 내연 기관에 사용되는 연료의 성분을 개선하거나, 피스톤과 실린더의 마찰을 줄여 에 너지의 손실을 줄이거나, 피스톤 등의 각 부품 규격을 최적화하는 설계를 개발하는 등 여러 가지 관점에서의 연구가 꾸준히 수행되어 왔다.

이러한 연구의 일환으로, 국내특허등록 제0179611호("자동차용 엔진", 이하 선행기술1)에서는 흡기밸브를 없애고 압축공기를 주입하도록 하고 이와 더불어 배기밸브를 다수 개 구비함으로써 흡기 및 배기 효율을 향상시킴과 동시에 흡기/배기 간의 간섭을 제거함으로써 엔진의 출력을 향상시키도록 하는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 연구들, 즉 연료의 성분 개선 방안, 마찰 등과 같은 에너지 손실을 줄이는 방안, 부품 규격을 최적화하기 위한 설계 방안 등은 이미 일정 한계에 도달하였다는 것은 잘 알려진 사실이다. 또한, 직접 엔진 자체의 구조 설계를 개선하는 연구에 있어서도 마찬가지로 일정한 한계에 도달해 있으며, 상기 예로 든 선행기술1과 같은 경우에도 직접적인 출력 향상에의 기여 효과가 그리 크지 않은 문제점이 있다. 따라서 현재에는 자동차의 경우 엔진 냉각을 효과적으로 하기 위한 냉각 장치의 개선 등과 같이 간접적인 방법으로 연비를 개선하기 위한 연구가 더 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 압축 행정에서 연소실 내의 압력을 극대화하여 내연 기관의 효율을 극대화하는 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치를 제공함 에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치는, 일측이 개방된 실린더 형태로 형성되며 연료 및 공기가 혼합되어 연소되는 연소실(10); 상기 연소실(10)의 일측에 구비되어 외부로부터 공기를 흡입하는 흡입 밸브(21); 상기 연소실(10)의 일측에 구비되어 연소 후 생성되는 배기가스를 배기하는 배기 밸브(22); 및 상기 연소실(10)의 개방된 통로 부분에 삽입되며, 상기 연소실(10) 내의 압력에 따라 상승 및 하강 운동하는 피스톤(30); 을 포함하여 이루어지는 내연 기관에 있어서, 상기 연소실(10)의 일측에 노즐 형태로 구비되어 상기 연소실(10) 내로 고압의 공기를 분사하는 고압 공기 분사구(51); 상기 고압 공기 분사구(51)를 개폐하는 개폐 수단(52); 및 상기 고압 공기 분사구(51)와 연결되어 고압 공기를 공급하는 고압 공기 용기(52); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 고압 공기 분사구(51)는 상기 연소실(10)의 중심축 쪽으로 편향된 위치에 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고압 공기 개폐 수단(52)은 4행정 내연 기관에서는 압축 행정과 동시에 개방되고 배기 행정 직전에 폐쇄되며, 2행정 내연 기관에서는 상승 행정과 동시에 개방되며 하강 행정과 동시에 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 고압 공기 개폐 수단(52)은 전기적 신호에 의해 개폐되거나, 또는 로드 및 캠 또는 인젝터를 이용한 기계적 수단에 의하여 개폐되는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 가연 장치가 구비된 내연 기관을 도시한 것으로, 도 2(A)는 가솔린 기관을, 도 2(B)는 디젤 기관을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 가연 장치(50)는, 고압 공기 분사구(51), 개폐 수단(52) 및 고압 공기 용기(53)를 포함하여 이루어진다.

상기 고압 공기 분사구(51)는, 상기 연소실(10)의 일측에 노즐 형태로 구비되는데, 바람직하게는 상기 고압 공기 분사구(51)는 상기 연소실(10)의 중심축과 가까운 위치에 구비된다.

상기 고압 공기 용기(53)에는 고압의 공기가 압축되어 수용되어 있으며, 상기 개폐 수단(52)이 개방되면 상기 고압 공기 용기(53) 내에 수용된 고압의 공기가 상기 연소실(10)의 내부로 공급되게 된다. 상기 고압 공기 분사구(51)가 상기 흡입 밸브(21)에 근접한 위치에 구비되는 경우, 상기 개폐 수단(52)이 흡입 행정 시에 상기 흡입 밸브(21)와 연동되어 동작하도록 설계함으로써 상기 개폐 수단(52)의 개폐를 보다 용이하게 할 수 있다. 물론, 상기 개폐 수단(52)은 전자적으로 개폐가 이루어지도록 할 수도 있고, 로드 및 캠 또는 인젝터를 이용하여 기계적인 방법으 로 개폐가 이루어지도록 하는 등, 본 발명의 취지에서 벗어나지 않는 구성이라면 어떤 형태로 이루어져도 무방하다.

도 3은 본 발명에 의한 가연 장치의 작동 원리를 도시한 것으로, 도 3(A)는 4행정의 가솔린 기관, 도 3(B)는 4행정의 디젤 기관을 각각 도시하고 있다. 도 4는 본 발명에 의한 가연 장치를 적용한 내연 기관의 P-V 선도로, 도 4(A)는 4행정의 가솔린 기관의 P-V 선도, 도 4(B)는 4행정의 디젤 기관의 P-V 선도를 각각 도시하고 있다.

도 3으로 4행정의 내연 기관에서의 본 발명의 가연 장치의 작동 원리를 설명한다. 4행정의 내연 기관은 도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 바와 같이 흡입 행정 - 압축 행정 - 팽창 행정 - 배기 행정의 4단계로 이루어지는 동작 단계를 갖는다. 흡입 행정(도 3(A)-a 및 도 3(B)-a)에서는, 흡입 밸브(21)가 열리고 배기 밸브(22)가 닫힌 상태에서, 피스톤(30)이 하강하면서 연료와 공기의 혼합기를 기화기를 통하여 흡입한다. 압축 행정(도 3(A)-b 및 도 3(B)-b)에서는, 흡입 밸브(21) 및 배기 밸브(22)가 모두 닫힌 상태에서, 피스톤(30)이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축한다. 이 때 내연 기관 연소실(10) 내의 (공기 및 연료가 혼합된) 혼합 기체는 고온 및 고압 상태가 된다. 팽창 행정(도 3(A)-c 및 도 3(B)-c)에서는, 흡입 밸브(21)와 배기 밸브(22)가 여전히 닫혀 있는 상태에서, 전기 점화(가솔린 엔진) 또는 자연 발화(디젤 엔진)에 의하여 압축된 혼합 기체의 연소 및 폭발이 일어나고, 그 압력에 의해 피스톤(30)이 내려가면서 동력이 발생된다. 마지막으로 배기 행정(도 3(A)-d 및 도 3(B)-d)에서는, 흡입 밸브(21)가 닫히고 배기 밸브(22)가 열린 상태에서, 피스톤(30)이 올라감으로써 연소 가스가 배출된다.

본 발명에 의한 가연 장치(50)의 상기 개폐 수단(52)은 이와 같은 4행정의 내연 기관의 동작 단계 중 압축 행정(도 3(A)-b 및 도 3(B)-b) 및 팽창 행정(도 3(A)-c 및 도 3(B)-c)이 일어나는 동안 개방되어 있다가, 내연 기관의 동작 단계 중 배기 행정(도 3(A)-d 및 도 3(B)-d)이 일어나기 직전에 폐쇄된다. 즉, 압축 행정(도 3(A)-b 및 도 3(B)-b)이 일어나는 순간과 동시에, 상기 고압 공기 분사구(51)를 폐쇄하고 있던 상기 개폐 수단(52)이 개방됨으로써, 상기 고압 공기 분사구(51)와 연결된 상기 고압 공기 용기(53) 내에 수용되어 있던 고압의 압축 공기가 상기 연소실(10) 내로 더 공급되게 된다. 따라서 본 발명의 가연 장치(50)를 적용한 내연 기관에서는 압축 행정 중 연소실(10) 내의 압력이 종래의 내연 기관에서보다 더욱 높아지게 된다.

도 4는 4행정의 내연 기관에서의 종래의 내연 기관과 본 발명의 가연 장치를 적용한 내연 기관의 P-V 선도로서, 도 4(A)는 4행정의 가솔린 기관, 도 4(B)는 4행정의 디젤 기관의 P-V 선도이다. 또한, 각 선도에서 점선으로 표시된 것이 종래의 내연 기관의 P-V 선도이며, 실선으로 표시된 것이 본 발명의 가연 장치를 적용한 내연 기관의 P-V 선도이다. A → B는 흡입 행정, B → C 또는 C'는 압축 행정, C 또는 C' → D 또는 D' → E는 팽창 행정, E → B → A는 배기 행정 시의 P-V 선도를 각각 도시하고 있다. 일반적으로 내연 기관의 P-V 선도에 있어서 유효 일량은 B - C 또는 C' - D 또는 D' - E로 둘러싸이는 영역의 면적으로 계산된다. 본 발명의 가연 장치를 적용한 내연 기관의 경우 압축 행정(B → C) 시 종래의 내연 기관에서의 압축 행정(B → C')에서보다 압력을 더욱 높일 수 있다. 따라서 도 4(A) 및 도 4(B)에 확연히 도시되어 있는 바와 같이, B - C' - D' - E로 된 종래 내연 기관의 유효 일량보다, B - C - D - E로 된 본 발명의 가연 장치를 적용한 내연 기관의 유효 일량이 확연히 크게 나타나게 된다.

상기 도 2 내지 도 4의 실시예에서는 본 발명에 의한 가연 장치가 4행정의 내연 기관에 적용되는 경우를 설명하고 있으나, 물론 본 발명에 의한 가연 장치는 2행정의 내연 기관에도 똑같이 적용될 수 있다. 2행정의 경우 상승 행정과 동시에 상기 개폐 수단이 개방되고 하강 행정 시에 상기 개폐 수단이 폐쇄되도록 하는 것이 바람직하며, 이외의 구성, 작동 원리 및 효과는 4행정의 내연 기관에서와 동일하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 일반적인 내연 기관에 있어서 압축 행정 시에 연소실 내의 압력을 크게 높여 줌으로써, 연소실에서 압축 및 폭발이 일어나는 과정에서 즉시 압축공기를 분사함으로써 폭발 압력의 증가로 인하여 내연 기관의 에너지 효율 및 연비가 비약적으로 상승하게 되는 커다란 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면 연소 과정에서 압축공기가 주입됨으로써 연료의 완전 연소가 이루어지기 때문에 연비 향상 뿐만 아니라 환경에 유해한 물질이 훨씬 덜 발생되게 되는 큰 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 내연 기관은 기존의 내연 기관에 적용하기 매우 용이한 효과가 있으며, 따라서 종래의 생산 장비 및 금형 등을 거의 그대로 활용할 수 있게 되어 (본 발명에 의한) 새로운 내연 기관을 생산하기 위한 생산 라인 전환 비용이 최소화될 수 있는 커다란 경제적 효과가 있다.

Claims (4)

1. 일측이 개방된 실린더 형태로 형성되며 연료 및 공기가 혼합되어 연소되는 연소실(10); 상기 연소실(10)의 일측에 구비되어 외부로부터 공기를 흡입하는 흡입 밸브(21); 상기 연소실(10)의 일측에 구비되어 연소 후 생성되는 배기가스를 배기하는 배기 밸브(22); 및 상기 연소실(10)의 개방된 통로 부분에 삽입되며, 상기 연소실(10) 내의 압력에 따라 상승 및 하강 운동하는 피스톤(30); 을 포함하여 이루어지는 내연 기관에 있어서,

   상기 연소실(10)의 일측에 노즐 형태로 구비되어 상기 연소실(10) 내로 고압의 공기를 분사하는 고압 공기 분사구(51);

   상기 고압 공기 분사구(51)를 개폐하는 개폐 수단(52); 및

   상기 고압 공기 분사구(51)와 연결되어 고압 공기를 공급하는 고압 공기 용기(52);

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고압 공기 분사구(51)는

   상기 연소실(10)의 중심축 쪽으로 편향된 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 고압 공기 개폐 수단(52)은

   4행정 내연 기관에서는 압축 행정과 동시에 개방되고 배기 행정 직전에 폐쇄되며, 2행정 내연 기관에서는 상승 행정과 동시에 개방되며 하강 행정과 동시에 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 고압 공기 개폐 수단(52)은

   전기적 신호에 의해 개폐되거나, 또는 로드 및 캠 또는 인젝터를 이용한 기계적 수단에 의하여 개폐되는 것을 특징으로 하는 고압 공기를 이용한 연소실 내 가연 장치.

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